Spectroscopie optique multi-modalités in vivo : instrumentation, extraction et classification diagnostique de tissus sains et hyperplasiques cutanés

par Gilberto Diaz-Ayil

Thèse de doctorat en Automatique et traitement du signal

Sous la direction de Yves Granjon et de Walter Blondel.

Soutenue le 16-11-2009

à Vandoeuvre-les-Nancy, INPL , dans le cadre de École doctorale IAEM Lorraine - Informatique, Automatique, Électronique - Électrotechnique, Mathématiques de Lorraine , en partenariat avec Centre de recherche en automatique (Nancy) (laboratoire) .

Le président du jury était Anne Humeau.

Le jury était composé de Yves Granjon, Walter Blondel, Anne Humeau, Pierre Gouton, Geneviève Bourg-Heckly.

Les rapporteurs étaient Anne Humeau, Pierre Gouton.

mots clés

• Cancer
• Peau
• Spectroscopie in vivo
• Diffusion élastique
• Instrumentation
• Classification supervisée
• Peau -- Cancer
• Spectroscopie
• Peau -- Cancer

Résumé

L’incidence des cancers cutanés est en constante progression. Leur diagnostic précoce et leur caractérisation in vivo constituent donc un enjeu important. Une approche multimodale et non invasive en spectroscopie fibrée résolue spatialement a été implémentée. L’instrumentation développée permet des mesures co-localisées en multiple excitation d’AutoFluorescence (AF, 7 pics entre 360 et 430 nm) et en Réflectance Diffuse (RD, 390 à 720 nm) résolues spatialement à 5 distances inter-fibres (entre 271 et 1341 µm). Le protocole expérimental a porté sur les stades précoces de cancers cutanés UV-induits sur un modèle pré-clinique. L’analyse histopathologique a permis de définir 4 classes de référence de tissus cutanés : Sain (S), Hyperplasie Compensatoire (HC), Hyperplasie Atypique (HA) et Dysplasie (D), menant à 6 combinaisons de paires histologiques à discriminer. Suite au prétraitement des spectres bruts acquis, puis à l’extraction, la sélection et la réduction de jeux de caractéristiques spectroscopiques, les performances de trois algorithmes de classification supervisée ont été comparées : k-Plus Proches Voisins, Analyse Discriminante Linéaire et Machine à Vecteur de Support. Différentes modalités ont également été évaluées : mono-excitation d’AF seule, Matrices d’Excitation-Emission en AF seules (EEMs), RD seule, couplage EEMs – RD et couplage EEMs – RD résolue spatialement. L’efficacité finale de notre méthode diagnostique a été évaluée en termes de sensibilité (Se) et de spécificité (Sp). Les meilleures résultats obtenus sont : Se et Sp ≈ 100% pour discriminer HC vs autres ; Sp ≈ 100% et Se > 95% pour discriminer S vs HA ou D ; Sp ≈ 74% et Se ≈ 63% pour HA vs D

mots clés

• Cancer
• Skin
• In vivo spectroscopy
• Elastic scattering
• Supervised classification

Titre traduit

Multi-modality optical spectroscopy in vivo : instrumentation, extraction and classification diagnosis of normal and hyperplastic cutaneous tissue

Résumé

The incidence of skin cancers is steadily increasing. Their in vivo early diagnosis and characterization is an important issue. An approach noninvasive: the spatially resolved multi-modality spectroscopy has been implemented. The instrumentation developed allows to co-localized measures in multiple AutoFluorescence excitation (AF, 7 peaks between 360 and 430 nm) and Diffuse Reflectance (DR, 390 to 720 nm) spatially resolved at 5 inter-fiber distances (between 271 and 1341 μm). The experimental protocol was focused on the early stages of skin cancer UV-induced in a preclinical model. Four reference classes were defined based on the histopathological analysis of the skin samples: Healthy (H), Compensatory Hyperplasia (CH), Atypical Hyperplasia (AH) and Dysplasia (D), leading to 6 combinations of class pairs to be discriminated. After preprocessing of the raw spectra, extraction, selection and reduction of the most discriminative spectroscopic data set were performed. Then, the efficacy of three supervised classification algorithms was compared: k-Nearest Neighbors, Linear Discriminant Analysis and Support Vector Machine. The contribution of the different modalities was also evaluated: single AF excitation alone, Excitation-Emission Matrices AF (EEMs) alone, DR alone, coupling of EEMs and RD, coupling of EEMs and DR with spatial resolution. The final efficiency of our diagnostic method was evaluated in terms of sensitivity (Se) and specificity (Sp). The best results obtained are: Se and Sp ≈ 100% for discriminating CH vs others; Sp ≈ 100% and Se> 95% for discriminating AH or D vs H; Sp ≈ 74% and Se ≈ 63% to discriminate AH vs D